(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスに用いられる磁気抵抗効果素子であって、
（ａ）基体上に形成されたピンド層と、
（ｂ）前記ピンド層と接する第１の面、および前記第１の面と反対側の第２の面を有する非磁性スペーサ層と、
（ｃ）前記非磁性スペーサ層の第２の面と接するように設けられ、正の磁歪定数を有する第１の強磁性層と挿入層と負の磁歪定数を有する第２の強磁性層とを順に含み、全体として５×１０-6以下の磁歪定数を有する複合フリー層と
を備え、
（１）第１の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含み、かつ、前記非磁性スペーサ層の第２の面と接するインナー面と、このインナー面と反対側のアウター面とを有し、前記アウター面が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものであり、
（２）前記挿入層は、前記第１の強磁性層のアウター面と接する第１の面と、第２の強磁性層と接する第２の面とを有すると共に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素とＴａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むものであり、
（３）前記第２の強磁性層は、ＣｏWＦｅ(100-W)（ｗは０以上１００以下）およびＮｉZＦｅ(100-Z)（Ｚは、７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏWＦｅ(100-W)もしくはＮｉZＦｅ(100-Z)と、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を含むものである
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１の強磁性層は、０．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２の強磁性層の、前記挿入層と反対側にキャップ層を備えたボトムスピンバルブ構造を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１の範囲である）を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第２の強磁性層は、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記非磁性スペーサ層は、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも１種からなるトンネルバリア層であり、または金属層である
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記基体はシード層と反強磁性（ＡＦＭ）層との積層構造からなり、前記反強磁性層は前記ピンド層と接している
請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
磁気デバイスに用いられる磁気抵抗効果素子であって、
（ａ）基体上に形成されたシード層と、
（ｂ）第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層を含む複合フリー層と、
（ｃ）非磁性スペーサ層と、
（ｄ）前記非磁性スペーサ層の上面と接するピンド層と、
（ｅ）前記ピンド層の、前記非磁性スペーサ層の反対側の面と接する反強磁性（ＡＦＭ）層と、
（ｆ）前記反強磁性層の上に形成されたキャップ層と
を備え、
（１）前記第２の強磁性層は、前記シード層の上に設けられ、ＣｏWＦｅ(100-W)（ｗは０以上１００以下）およびＮｉZＦｅ(100-Z)（Ｚは、０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏWＦｅ(100-W)もしくはＮｉZＦｅ(100-Z)と、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を含むものであり、
（２）前記挿入層は、前記第２の強磁性層の上面と接する第１の面と、前記第１の強磁性層と接する第２の面とを有すると共に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素とＴａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むものであり、
（３）前記第１の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含み、かつ、前記非磁性スペーサ層の下面と接するインナー面と、このインナー面と反対側に位置し前記挿入層と接するアウター面とを有し、前記インナー面が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものである
磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記非磁性スペーサ層は、トンネルバリア層または金属層である
請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の強磁性層は、０．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記挿入層は、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１の範囲である）を有する
請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第２の強磁性層は、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する
請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第２の強磁性層の上面は、表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものである
請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
ＴＭＲセンサに用いられる磁気抵抗効果素子の形成方法であって、
（ａ）基体上に、シード層と、反強磁性（ＡＦＭ）層と、ピンド層とを順に積層することにより積層構造を形成する工程と、
（ｂ）前記ピンド層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、
（ｃ）前記トンネルバリア層の上に、第１の強磁性層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１の強磁性層の表面に対し微弱なプラズマエッチ処理を施すことによりその表面の改質を行い、前記第１の強磁性層が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むようにする工程と、
（ｅ）表面の改質がなされた前記第１の強磁性層の上に、挿入層と第２の強磁性層とを順に形成することにより複合フリー層を設ける工程と、
（ｆ）前記複合フリー層の上に、キャップ層を形成する工程と
を含み、
（１）前記第１の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含むように形成し、
（２）前記挿入層を、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むように形成し、
（３）前記第２の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を用いて形成する
磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１５】
前記トンネルバリア層を、ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも１種を用いて形成する
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１６】
前記トンネルバリア層を、
前記ピンド層の上に第１のＭｇ層を成膜したのち、前記第１のＭｇ層に対して自然酸化処理を行うことによりＭｇＯ層を形成し、さらに前記ＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層を成膜することにより形成する
請求項１５記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１７】
前記キャップ層を形成する工程ののち、前記基体上に設けられた積層構造、トンネルバリア層、複合フリー層およびキャップ層の全体に対して、２０００Ｏｅの磁界を印加しつつ２４０℃以上４４０℃以下の温度で３０分から１０時間の範囲でアニールするアニール工程を含む
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１８】
前記第１の強磁性層を、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造とし、０．２ｎｍ以上４ｎｍ以下の厚さとなるように形成する
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項１９】
前記挿入層を、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さとなるように、かつ、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有するように形成する
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２０】
前記第２の強磁性層を、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さとなるように、かつ、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するように形成する
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２１】
前記プラズマエッチ処理は、０．０１Ｔｏｒｒ以上の圧のアルゴン（Ａｒ）ガスもしくはその他の不活性ガスを用いて２０ワット未満の電力で行う
請求項１４記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【請求項２２】
前記プラズマエッチ処理は、毎秒０．０１ｎｍ未満の割合で、前記第１の強磁性層の厚さが０．０２ｎｍ未満の範囲で減少するように行う
請求項２１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気再生ヘッド等に用いられるＭＲ（magneto resistive) 素子およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ（Tunneling Magneto resistive）センサすなわち磁気トンネル素子（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）や磁気再生ヘッド等の磁気デバイスにおける重要な構成要素（記憶素子）である。ＴＭＲセンサは、一般的に、薄い非磁性絶縁体層により２つの強磁性層が分離された積層構造を備えている。いわゆるボトムスピンバルブ構造を有するＴＭＲセンサの積層構造は、基体上に順次形成された、シード（バッファ）層と、反強磁性（ＡＦＭ：Anti-Ferromagnetic）層と、ピンド層と、トンネルバリア層と、フリー層と、キャップ層とによって構成されるのが一般的である。フリー層は、外部磁界（媒体からの信号磁界）に反応するセンス層として機能する。これに対し、ピンド層は相対的に固定され、フリー層に対する基準層として機能する。トンネルバリア層（絶縁体層）を介した電気抵抗は、フリー層の磁気モーメントの、基準層の磁気モーメントに対する相対的な方向に伴って変化し、これにより磁気信号が電気信号へと変換される。磁気再生ヘッドにおいて、ＴＭＲセンサは下部シールドと上部シールドとの間に形成されている。センス電流が、上部シールドから下部シールドに向かって（ＭＲＡＭデバイスでは上部電極から下部電極に向かって）、ＴＭＲセンサの膜面に対して垂直方向に流れると（ＣＰＰ（Current-Perpendicular-to Plane）構造）、フリー層およびピンド層（基準層）の磁化方向が平行（「１」記憶状態）である場合には低抵抗となり、フリー層およびピンド層の磁化方向が反平行（「０」記憶状態）である場合には高抵抗となる。なお、ＴＭＲセンサは、センス電流の方向を示す面内通電（ＣＩＰ：Current In Plane）構造を含んで構成される場合もある。
【０００３】
他の種類の記憶デバイスとしては、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto resistive）ヘッドが挙げられる。この構造では、ＴＭＲセンサの積層構造におけるピンド層とフリー層との間の絶縁体層が、銅などの非磁性導電性スペーサによって置き換えられている。
【０００４】
ＴＭＲセンサの積層構造におけるピンド層は、シンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造を有する場合がある。この構造では、外側ピンド層が、結合層を介してトンネルバリア層に接する内側ピンドと磁気的に結合している。外側ピンド層は、同一方向に磁化された隣接する反強磁性（ＡＦＭ）層との交換結合によって特定の方向に固定された磁気モーメントを有している。トンネルバリア層の厚さは、このトンネルバリア層を通過する電流を、伝導電子の量子力学的トンネル効果によって得られるほど薄くなっている。
【０００５】
現在のところ、ＴＭＲセンサは、次世代の磁気ヘッドにおいて、ＧＭＲセンサに取って代わる候補として最も有望である。先進のＴＭＲセンサは、磁気ヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ：Air-Bearing Surface）において、０．１μｍ×０．１μｍ程度の断面積を有している。ＴＭＲセンサの利点は、ＧＭＲセンサと比較して、大幅に高い抵抗変化率（ＭＲ比）を得ることができることにある。高性能のＴＭＲ素子に求められる特性としては、ＭＲ比が高いことに加え、ＲＡ値が低いこと、フリー層の磁歪定数（λ）および保磁力（Ｈｃ）が低いこと、ピンド層が強力であること、トンネルバリア層を通しての層間結合磁場（Ｈｉｎ）が弱いこと、等がある。ＭＲ比（ＴＭＲ比とも呼ばれる）は、ｄＲ／Ｒで表され、ＲはＴＭＲセンサの抵抗値の最小値であり、ｄＲはフリー層の磁化状態の変化に応じて観測される抵抗変化量である。ｄＲ／Ｒが大きければ、読み出し速度（再生速度）が向上する。高記録密度用途または高周波用途に対しては、ＲＡ値を約１から３Ω×μｍ2 にまで減少させる必要がある。
【０００６】
高周波記録用途においては、ＭｇＯを用いたトンネル接合素子が有望視されている。これは、そのトンネル磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）が、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）またはチタン酸化物（ＴｉＯｘ）を用いたトンネル接合素子のそれと比べて著しく高いことによる（非特許文献１、非特許文献２、および非特許文献３参照）。
【０００７】
ＭｇＯを用いたトンネル接合素子のフリー層には、高ＭＲ比および軟磁性層を得るため、ＣｏＦｅＢが用いられている。D. Djayaprawiraらによる非特許文献４には、従来のスパッタリング法によって形成されたＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅＢからなる構造を有するトンネル接合構造においても、柔軟性と均質性とを利点とする２３０％という非常に高いＭＲ比を得ることができると報告されている。
【０００８】
低ＲＡ値の用途として、K. Tsunekawaらによる非特許文献５には、ＣｏＦｅＢピンド層と、高周波スパッタにより形成されたＭｇＯ層との間に、ＤＣスパッタにより形成されたＭｇ層を挿入することによりＲＡ値を低減できることが示されている。また、この非特許文献５では、ＲＡ値が２．４Ω×μｍ2という条件下の場合には、ＣｏＦｅＢ／Ｍｇ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの構造を有するトンネル接合素子により、ＭＲ比は１３８％に達することが示されている。なお、非特許文献５においてＭｇ層を挿入するという考えは、T. Linnらによる特許文献１において初めて提案されたが、その目的は、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ（反応性スパッタリング）／ＮｉＦｅ構造における下部電極（ＣｏＦｅ）の酸化を防ぐことであった。一方、Y. Nagamineらによる非特許文献６には、高周波スパッタ法によるＭｇＯ層の形成に先立ち、タンタル（Ｔａ）をゲッターとしたプレスパッタ処理を施すことにより、ＲＡ値が０．４Ω×μｍ2という条件下でＴＭＲ比が５５％に達するとことが報告されている。
【０００９】
また、特許文献２および特許文献３は、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅにより表される３層構造を有し、ＧＭＲ−ＣＰＰセンサ・ＴＭＲセンサを問わず低保磁力および低磁歪が得られるフリー層を開示している。
【００１０】
特許文献４は、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に挟まれたセンス増強層（Ｔａ）を有するフリー層を開示している。第１の強磁性層は、正の磁歪を有し、ＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅを主成分とする合金から構成されている。第２の強磁性層は、負の磁歪を有し、ＣｏＦｅ，Ｎｉ（ニッケル），またはＮｉＦｅを主成分とする合金から構成されている。
【００１１】
特許文献５は、トンネルバリア層の上に形成されたＮｉＦｅまたはＣｏＦｅを含んでなる下部層と、Ｔａ（タンタル），Ｒｕ（ルテニウム），Ｃｕ（銅），またはＷ（タングステン）を含んでなるスペーサ層と、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅ，またはＮｉＦｅを含んでなる上部層との３層構造のフリー層を開示している。
【００１２】
特許文献６は、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＴａＢの３層構造を有するフリー層を開示している。
【００１３】
特許文献７および特許文献８は、ＮｉＦｅと、ＣｏＦｅと、ＣｏＦｅＢとが積層されたフリー層を開示している。
【００１４】
特許文献９では、自然酸化法を用いてＭｇＯからなるトンネルバリア層を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第６８４１３９５号明細書
【特許文献２】米国特許第７３３３３０６号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００４７１５９号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０１３９８２７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０１８８９４２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００８／００６１３８８号明細書
【特許文献７】米国特許第６９８２９３２号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８／０１５２８３４号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０１１１３３２号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】S. Yuasa等著、「Giant room-temperature magnetoresistance in single crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions」、Nature Materials、２００４年、第３版、ｐ．８６８−８７１
【非特許文献２】S. Yuasa 等著、「Giant tunneling magnetoresistance up to 410% at room temperature in fully epitaxial Co/MgO/Co magnetic tunnel junctions with bcc Co (001) electrodes」、Applied Physics Letters、２００６年、第８９巻、０４２５０５
【非特許文献３】S. Parkin 等著、「Giant tunneling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers」、Nature Materials、２００４年、第３号、ｐ．８６２−８６７
【非特許文献４】D. Djayaprawira等著、「230% room temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions」、Physics Letters、２００５年、第８６巻、０９２５０２
【非特許文献５】K. Tsunekawa等著、「Giant tunnel magnetoresistance effect in low resistance CoFeB/MgO(001)/CoFeB magnetic tunnel junctions for read head applications」、Applied Physics Letters、２００５年、第８７巻、０７２５０３
【非特許文献６】Y. Nagamine等著、「Ultralow resistance-area produce at 0.4 ohm-μｍ2 and high magnetoresistance above 50％ in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic junctions」、Applied Physics Letters、２００６年、第８９巻、１６２５０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
現在、この技術分野では、もっぱらＣｏＦｅＢをＴＭＲ素子のフリー層に用いることにより、高いＴＭＲ比を維持しつつ、低Ｈｃを実現している。しかしながら、ＣｏＦｅＢを用いたフリー層の磁歪（λ）は、高密度メモリ用途における最大許容値（約５×１０-6）よりも格段に高くなってしまう。また、低い磁歪および軟磁性特性が得られるという理由により、ＣｏＦｅＢの代わりに、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ複合体を有するフリー層も用いられている。しかしながら、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅをフリー層に用いた場合、ＴＭＲ比が低下する。他の方法としては、正の磁歪を有するＣｏＦｅＢ層と、負の磁歪を有するＮｉＦｅ層とを有する複合フリー層を用いることにより、低磁歪および磁気的柔軟性を有するフリー層を得ることが挙げられる。しかしながら、ＣｏＦｅＢとＮｉＦｅとが直接接した場合、著しいＭＲ（ＴＭＲ）比の低下が生じることから、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ型のフリー層構造は実用的でない。したがって、高ＴＭＲ比、低ＲＡ値、および低保磁力とともに、低磁歪が得られる、ＴＭＲセンサの改良型フリー層が望まれる。
【００１８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＣＩＰ−ＧＭＲセンサ、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサ、またはＴＭＲセンサに組み入れることが可能であり、低磁歪、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、高いＭＲ比をも得ることが可能な複合フリー層を有する磁気抵抗効果素子およびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、磁気デバイスに用いられるものであって、  （ａ）基体上に形成されたピンド層と、（ｂ）ピンド層と接する第１の面、および第１の面と反対側の第２の面を有する非磁性スペーサ層と、（ｃ）非磁性スペーサ層の第２の面と接するように設けられ、正の磁歪定数を有する第１の強磁性層と挿入層と負の磁歪定数を有する第２の強磁性層とを順に含み、全体として５×１０-6以下の磁歪定数を有する複合フリー層とを備えるものである。ここで、  複合フリー層において（１）第１の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含み、かつ、非磁性スペーサ層の第２の面と接するインナー面と、このインナー面と反対側のアウター面とを有し、アウター面が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものであり、（２）挿入層は、第１の強磁性層のアウター面と接する第１の面と、第２の強磁性層と接する第２の面とを有すると共に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素とＴａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むものであり、（３）第２の強磁性層は、ＣｏWＦｅ(100-W)（ｗは０以上１００以下）およびＮｉZＦｅ(100-Z)（Ｚは、７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏWＦｅ(100-W)もしくはＮｉZＦｅ(100-Z)と、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を含むものである。
【００２０】
本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、磁気デバイスに用いられるものであって、  （ａ）基体上に形成されたシード層と、（ｂ）第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層を含む複合フリー層と、（ｃ）非磁性スペーサ層と、（ｄ）非磁性スペーサ層の上面と接するピンド層と、（ｅ）ピンド層の、非磁性スペーサ層の反対側の面と接する反強磁性（ＡＦＭ）層と、（ｆ）反強磁性層の上に形成されたキャップ層とを備えるものである。ここで複合フリー層において、（１）第２の強磁性層は、シード層の上に設けられ、ＣｏWＦｅ(100-W)（ｗは０以上１００以下）およびＮｉZＦｅ(100-Z)（Ｚは、０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏWＦｅ(100-W)もしくはＮｉZＦｅ(100-Z)と、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を含むものであり、（２）挿入層は、第２の強磁性層の上面と接する第１の面と、第１の強磁性層と接する第２の面とを有すると共に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素とＴａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むものであり、（３）第１の強磁性層は、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含み、かつ、非磁性スペーサ層の下面と接するインナー面と、このインナー面と反対側に位置し挿入層と接するアウター面とを有し、インナー面が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものである
【００２１】
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法は、ＴＭＲセンサに用いられる磁気抵抗効果素子の形成方法であって、（ａ）基体上にシード層と反強磁性層とピンド層とを順に積層することにより積層構造を形成する工程と、（ｂ）ピンド層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、（ｃ）トンネルバリア層の上に第１の強磁性層を形成する工程と、（ｄ）第１の強磁性層の表面に対し微弱なプラズマエッチ処理を施すことによりその表面の改質を行い、第１の強磁性層が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むようにする工程と、（ｅ）表面の改質がなされた第１の強磁性層の上に、挿入層と第２の強磁性層とを順に形成することにより複合フリー層を設ける工程と、  （ｆ）複合フリー層の上にキャップ層を形成する工程とを含むものである。ここでは、（１）第１の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）および［ＣｏWＦｅ(100-W)］(100-Y)ＢY（Ｗは０以上１００以下、Ｙは１０以上４０以下）のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金、または、それらのコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方にＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも１種の追加元素を添加してなる合金を含むように形成し、（２）挿入層を、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の磁性元素と、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される少なくとも１種の非磁性元素とを含むように形成し、（３）第２の強磁性層を、ＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金、または、ＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも１種の元素とを組み合わせた合金を用いて形成する。
【００２２】
本発明の磁気抵抗効果素子およびその形成方法では、例えば第１の強磁性層が、０．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するようにするとよい。また、挿入層が、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成（但し、ＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１である）を有するようにするとよい。さらに、第２の強磁性層が、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有するようにするとよい。また、非磁性スペーサ層をトンネルバリア層とする場合には、それをＭｇＯ，ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のうちの少なくとも一種からなるようにするとよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の磁気抵抗効果素子および形成方法によれば、第１の強磁性層が表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むようにした。これにより、複合フリー層の上に形成される各層における結晶方位が改善され、高いパフォーマンスと良好な動作安定性とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態としてのＴＭＲセンサの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示したＴＭＲセンサの要部構成を表す断面図である。
【図３】図１に示したＴＭＲセンサにおけるフリー層の形成方法を説明するためのフロー図である。
【図４】図１に示したＴＭＲセンサの形成方法における一工程を表す断面図である。
【図５】図１に示したＴＭＲセンサの形成方法における一工程を表す他の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態としてのＧＭＲセンサの構成を表す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態としてのＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）の構成を表す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態としてのＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）の構成を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、第１の強磁性層（ＦＬ１）と第２の強磁性層（ＦＬ２）との間に挿入層が設けられた構造を含む複合フリー層を備えた高性能磁気抵抗効果センサおよびその形成方法に関するものである。ＦＬ１は、その表面がわずかにプラズマエッチング処理を施されたものであり、挿入層は、磁性元素および非磁性元素をそれぞれ少なくとも１つずつ含有するものである。本発明では、挿入層およびＦＬ２を形成する前にＦＬ１の表面をわずかにエッチングして表面構造の改良（表面改質）を行う。以下に説明する例示的な実施の形態は、再生ヘッドにおけるＴＭＲセンサを示しているが、本発明は、ＧＭＲ−ＣＰＰセンサまたはＧＭＲ−ＣＩＰセンサ等の磁気抵抗効果素子を有する他のデバイスに用いることもできる。ＴＭＲセンサまたはＧＭＲセンサは、ボトムスピンバルブ構造、トップスピンバルブ構造、または多層スピンバルブ構造を有し得ることは、当業者により理解されることである。ＭＲ比は、ＴＭＲセンサを参照する際にはＴＭＲ比と同義として用いられる場合がある。なお、図面はあくまでも一例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【００２６】
[第１の実施の形態]
以下、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態におけるＴＭＲセンサ１の構成について説明する。図１は、ＴＭＲセンサ１における、エアベアリング面と平行な断面の構成を表しており、図２は、図１に示した積層体Ｓ１の断面構成を拡大して表している。
【００２７】
図１に示したように、このＴＭＲセンサ１は、対向配置された下部シールド層１０と上部シールド層２５との間に、磁気トンネル接合構造を有する積層体Ｓ１が狭持されたものである。下部シールド層１０は、ボトムリードとしての機能も有し、例えば２μｍの厚さのＮｉＦｅ層であり、例えばアルティック（Ａｌ・ＴｉＣ）からなる基板上に形成される。下部シールドＳ１（基体１０）の上には、通常、第１のギャップ層（図示せず）が形成される。積層体Ｓ１の両側には、下部シールド層１０の上面および積層体Ｓ１の端面（側面）を連続して覆う絶縁層２２と、この絶縁層２２の上に位置するバイアス層２３と、このバイアス層２３を覆うキャップ層２４とが、積層体Ｓ１をトラック幅方向（Ｘ軸方向）に挟むように設けられている。
【００２８】
積層体Ｓ１は、例えば、シード層１４と、ＡＦＭ層１５と、ピンド層１６と、トンネルバリア層１７と、フリー層１８と、キャップ層１９とが下部シールド層１０の上に順次積層されたボトムスピンバルブ構造を有している。
【００２９】
シード層１４は、例えば１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する。シード層１４は、Ｔａ／Ｒｕからなる２層構造であることが好ましいが、単一のＴａ層であってもよいし、あるいはＴａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／Ｃｕ，Ｔａ／Ｃｒなどの他の２層構造を採用してもよい。シード層１４は、その上に形成される層において滑らかで均質な粒状構造を促進する役割を果たすものである。
【００３０】
シード層１４の上に形成されたＡＦＭ層１５は、その上のピンド層１６（その中でも特に外側層であるＡＰ２層（後述））の磁化方向をピン留め（固定）するように機能するものであり、例えば４ｎｍ（４０Å）以上３０ｎｍ（３００Å）以下の厚さを有する。ＡＦＭ層１５は、４ｎｍ以上７ｎｍ以下の厚さを有すると共にＩｒＭｎからなることが望ましいが、必要に応じてＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄを用いてもよい。
【００３１】
ピンド層１６は、強磁性材料からなるＡＰ２層（図示せず）と、ルテニウムなどからなる非磁性の結合層（図示せず）と、強磁性材料からなるＡＰ１層（図示せず）とがＡＦＭ層１５の側から順に積層されたシンセティック反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-Parallel）構造（ＡＰ２／結合層／ＡＰ１）を有している。結合層は、ルテニウムのほか、例えばＲｈまたはＩｒなどによって形成することができる。ＡＰ２層は、外側ピンド層とも称され、ＡＦＭ層１５に接している。ＡＰ２層は、例えば、鉄含有率が１０原子％以上５０原子％以下であるＣｏＦｅによって構成され、例えば１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚さを有する。ＡＰ２層の磁気モーメントは、ＡＰ１層の磁気モーメントとは反平行の方向に固定されている。例えば、ＡＰ１層が「−Ｘ」方向の磁気モーメントを有している場合、ＡＰ２層は「＋Ｘ」方向に配向した磁気モーメントを有している。また、ＡＰ２層とＡＰ１層との厚さは、わずかに異なっている。これにより、ピンド層１６は、全体として、後の工程においてパターニングされるＴＭＲセンサ１の磁化容易軸方向に沿ってピンド層１６に対する小さなネット磁気モーメントを発現するようになっている。結合層は、ＡＰ２層とＡＰ１層との間の交換結合を促進させるためのもので、例えば０．３ｎｍ以上０．９ｎｍ以下（より好ましくは０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下）の膜厚のＲｕにより形成するのが好ましい。ＡＰ１層は、内側ピンド層とも呼ばれ、単層または複合層からなるが、トンネルバリア層１７が形成される面がより均質となるように例えばアモルファス構造が採用されている。
【００３２】
ボトム型スピンバルブ構造の例において、トンネルバリア層１７は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯｘ）により構成することが好ましい。ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７は、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）や酸化チタン（ＴｉＯｘ）をトンネルバリア層として用いたＴＭＲ積層構造に比べて高いＴＭＲ比を得ることができるからである。但し、必要に応じて、ＭｇＯのほかに他の材料（例えば、ＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯx ，ＡｌＴｉＯ，ＨｆＯx およびＺｒＯx のいずれか、またはこれらを２種以上混合した材料）により形成するトンネルバリア層１７を構成するようにしてもよい。
【００３３】
ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７は、ピンド層１６の上に例えば０．４ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の膜厚の第１のＭｇ層（図示せず）を形成したのち、この第１のＭｇ層に対して自然酸化（ＮＯＸ）処理を行い、さらにその上に例えば０．２ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の膜厚の第２のＭｇ層を設けることにより形成することが好ましい。この場合のトンネルバリア層１７はＭｇＯｘ／Ｍｇという２層構造を有するものと考えられる。ここで、第２のＭｇ層は、その後に成膜されるフリー層の酸化を防止するように機能する。上記の自然酸化の結果、過剰な酸素はＭｇＯｘ層の上面に蓄積されるので、仮にトンネルバリア層のＭｇＯｘ層のすぐ上にフリー層を形成した場合には、そのフリー層が酸化されてしまうと考えられる。これに対して、第２のＭｇ層を成膜するようにした場合には、そのようなフリー層の酸化を防止できるのである。また、このような構成により、積層体Ｓ１を構成する全ての層を成膜した後のアニール処理の際、酸素が下部のＭｇＯ層から上部の第２のＭｇ層へと拡散し得る。したがって、最終的なトンネルバリア層１７の組成は、基本的にはＭｇＯであると考えられる。このような構造のＴＭＲセンサ１では、その面積抵抗（ＲＡ）値およびＭＲ比は、２つのＭｇ層（第１および第２のＭｇ層）の膜厚を変化させることにより、あるいは自然酸化の時間と圧力を変化させることにより、調整することができる。具体的には、酸化時間をより長くしたり、圧力をより高くしたりすることによりＭｇＯｘ層が厚くなると、ＲＡ値がより増加することになる。
【００３４】
積層体Ｓ１のすべての層は、例えばＡｎｅｌｖａ社製Ｃ−７１００等のスパッタリングシステムにおける直流スパッタリングチャンバ内で成膜可能である。このシステムは、複数のターゲットが設けられた超高真空直流マグネトロンスパッタチャンバと、少なくとも１つの酸化チャンバとを備えている。そのようなスパッタ成膜プロセスは、通常、アルゴンスパッタガスを用いて５×１３３×１０-8〜５×１３３×１０-9［Ｐａ］程度のベース圧力下で行われる。この圧力が低いほど、形成される膜の均一性が向上する。
【００３５】
自然酸化は、スパッタ成膜システムにおける酸化チャンバ内において、０．１×１３３．３×１０-3〜１３３．３［Ｐａ］程度の酸素圧力の下で１５〜３００秒程度にわたって行われる。本実施の形態では、自然酸化プロセスの間は加熱も冷却も行わない。０．５〜５［Ω・μｍ2 ］程度のＲＡ値を得るためには、酸素圧力を１０-4×１３３×１０-6〜１３３［Ｐａ］程度に設定して上記の時間にわたって自然酸化処理を行うのが好ましい。酸素ガスとＡｒ，ＫｒまたはＸｅ等の不活性ガスとの混合ガスを用いると、酸化プロセスをよりよくコントロールすることができる。
【００３６】
ＭｇＯｘからなるトンネルバリア層１７はまた、ＲＦスパッタリング法または反応性スパッタリング法によってピンド層の上にＭｇＯｘ層を成膜することによっても形成可能である。但し、このようなスパッタ成膜によるＭｇＯｘ膜厚は、自然酸化法に比べると、あまり望ましい方法とはいえない。本発明者らが、０．６μｍというサイズの円形素子を作製し、その最終的なＲＡ値のばらつき（１σ）を測定したところ、ＲＦスパッタリング法では１０％を越えるものであったのに対し、自然酸化法を利用した場合では３％未満であった。
【００３７】
なお、トンネルバリア層１７として、ＴｉＯｘ，ＡｌＴｉＯ，ＭｇＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＺｒＯｘ，もしくはＨｆＯｘ等の他の材料、またはＭｇＯを含めたこれらの他の材料の任意の組み合わせを適宜用いてもよい。
【００３８】
このＴＭＲセンサ１において最も重要な特徴をなすのは、トンネルバリア層１７の上のフリー層１８である。なお、トンネルバリア層１７は、ピンド層１６と接する第１の表面と、フリー層１８と接する第２の表面とを有する。これらの第１および第２の表面は、いずれも基体１０と実質的に平行をなしている。フリー層１８は、図２に示したように３層構造を有している。具体的には、フリー層１８は、トンネルバリア層１７の側から順に第１の強磁性層１８ｍと、挿入層１８ｂと、第２の強磁性層１８ｃとが順に積層されたものである。
【００３９】
なお、本出願人は、先の出願において、それ以前のものと比較して高いＴＭＲ比、低い保磁力、低い磁歪、および低いＲＡ値を有するＴＭＲセンサまたはＧＭＲセンサに用いられる複合フリー層構造を開示した。例えば、本願関連出願としての米国特許出願公開第２００９／０１２１７１０号明細書には、ＣｏＦｅＢ層／非磁性層／ＮｉＦｅ層よりなる３層構造を有し、そのうちの非磁性層がＨｆ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，またはＣｒを有するフリー層が開示されている。このフリー層では、例えば、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層とが、Ｔａを有する挿入層により分離されているため、高いＴＭＲ比が得られる。また、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層とは、互いの磁気モーメントを平行配置に配列させる傾向を有するオレンジピール型の結合を介して、磁気的に結合している。一方で、このオレンジピール結合は比較的弱く、実デバイスとしては、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層との互いの磁気モーメントを反平行に配列させる傾向を有する、２つの強磁性フリー層の境界部からの静磁結合を備える必要がある。さらに、互いに異なる符号の磁歪に起因して、応力誘導異方性（stress induced anisotropy）が、ＣｏＦｅＢ層とＮｉＦｅ層との磁気モーメントを互いに垂直に配列させ易い。その結果、このフリー層構造の磁気ノイズは、やや高くなっている。したがって、信号の振幅は高いものの、信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）についての改善は限定的であることから、ＳＮＲのさらなる向上が望ましい。
【００４０】
本願関連出願である米国特許出願公開第２００９／０１２２４５０号明細書では、本発明者らはプラス（＋）の磁歪値を有する少なくとも一つのＣｏＦｅ層と、少なくとも一つの負の磁歪層（ＣｏＢまたはＦｅＢ等）とを含む３層構造を有するフリー層により、高性能なセンサが得られることを実証した。さらに、本発明者らは、米国特許出願第１２／３１９，９７２において、ＦｅＣｏＢＴａもしくはＣｏＴａからなる層を２つの強磁性層の間に挿入した複合フリー層が、高ｄＲ／Ｒ、低磁歪、および低ＲＡ値を実現することを示した。このような経緯により、本発明者らは、さらなるｄＲ／Ｒの向上をもたらす複合フリー層に関する新たな発明を開示する。具体的には、第１の強磁性層（ＦＬ１）を、その上に挿入層（ＩＮＳ）および第２の強磁性層（ＦＬ２）を積層する前に微弱なエッチング処理によって表面改質することで、ＦＬ１／ＩＮＳ／ＦＬ２の３層構造からなる複合フリー層における性能を向上させるようにしたものである。
【００４１】
第１の強磁性層１８ｍは、トンネルバリア層１７と接し、例えば、ＣｏW Ｆｅ(100-W) および［ＣｏW Ｆｅ(100-W)］(100-Y)ＢY のうちの少なくとも一方のコバルト鉄含有合金（但しＷは０以上１００以下、ｙは１０以上４０以下）を含むように構成される。あるいは、上記のコバルト鉄含有合金のうちの少なくとも一方に、Ｎｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＴｂおよびＮｂから選択される少なくとも一種の追加元素を添加してなる合金を含むように構成されてもよい。
【００４２】
第１の強磁性層１８ｍは、特に、０．２ｎｍ以上４．０ｎｍ以下の厚さを有し、ＣｏＦｅＢからなる単層構造、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢで表わされる２層構造、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有することが望ましい。ｄＲ／Ｒ（ＴＭＲ比）の向上に有利となるからである。強磁性層１８ａが、ＣｏＦｅＢを含む２つ以上の層の多層構造である場合、そのＣｏＦｅＢ層の厚さは、ｄＲ／Ｒを最大限に高めるために、多層構造における他の層よりも厚いことが好ましい。ただし、ＣｏＦｅＢ層は、基本的に大きなプラス（＋）の磁歪値を有しており、高性能を達成すべく約５×１０-6未満の磁歪を得るためには、フリー層１８の一つ以上の他の層におけるマイナス（−）の磁歪値を用いてこれを相殺する必要がある。また、第１の強磁性層１８ｍは、全体として正の磁歪定数を有するものである。
【００４３】
第１の強磁性層１８ｍは、その上面がプラズマエッチ処理（ＰＴ）を施されたことにより、表面改質構造および周囲よりも高い表面エネルギーを有する構造のうちの少なくとも一方を含むものとなっている。理論的な説明は容易ではないが、適度なプラズマエッチ処理がＴＭＲセンサのｄＲ／Ｒの向上をもたらすこととなっている。その要因としては、（１）第１の強磁性層１８ｍにおける改質された表面構造、および（２）第１の強磁性層１８ｍの上面における表面エネルギーの増加が寄与しているものと考えられる。上記要因により、第１の強磁性層１８ｍに核形成部位（nucleation site）が形成され、その上に積層される挿入層１８ｂ，第２の強磁性層１８ｃおよびキャップ層１９は、各々の形成時において平坦かつコンフォーマルな成長が促進される。特に第１の強磁性層１８ｍは、単一のＣｏＦｅＢ層からなる単層構造、もしくはＣｏＦｅＢ層を最上層とする多層構造であるとよい。適度なプラズマエッチ処理が、続いて行われるアニール工程の間、好ましくは（１００）方向に沿ったＣｏＦｅＢ層の結晶化を促進し、その結晶化されたＣｏＦｅＢ層の上に設けられるＮｉＦｅなどからなる第２の強磁性層１８ｍへの影響を防御するものと考えられるからである。なお、適度なプラズマエッチ処理とは、その処理前の第１の強磁性層を突き抜けてトンネルバリア層１７へダメージを与えてしまうことのない程度の、微弱なプラズマによるものをいう。
【００４４】
挿入層１８ｂは、図２に示したように、改質がなされたＦＬ１層１８ｍの上面を覆うように、少なくとも１つの磁性元素と少なくとも１つの非磁性元素とを有する合金によって形成されるものである。磁性元素は、例えばＦｅ，ＣｏおよびＮｉから選択され、非磁性元素は例えばＴａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，ＭｇおよびＣｒから選択される。挿入層１８ｂが四元合金から構成される場合、そのうちの非磁性元素として、Ｂを用いてもよい。挿入層１８ｂは、好ましくは全体的に非磁性を示し、例えば０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚さを有する。
【００４５】
挿入層１８ｂは、好ましくは全体的に非磁性特性を有し、例えば０．２ｎｍから１．０ｎｍの厚さを有する。挿入層１８ｂの厚さを一定としつつ、磁性元素の含有量を増加させた場合、第１の強磁性層１８ｍと第２の強磁性層１８ｃとの結合強度は増加する一方で、ＴＭＲ比は低下する。挿入層１８ｂの磁性元素の含有量を低下させた場合、逆の効果が現れる。センサ中のノイズを最小限に抑制し、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善する上では、第１の強磁性層１８ｍと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合（Ｈｃｐ）が強力であることが望ましい。さらに、このＨｃｐの値が増加すると、磁気的安定性が向上することにもなる。また、挿入層１８ｂは、第１の強磁性層１８ｍの上面（後述のアウター面１８ｔ）と接する第１の面と、第２の強磁性層１８ｃと接する第２の面とを有している。
【００４６】
挿入層１８ｂは、特にＣｏＴａにより表される組成を有するとよい。但し、この合金におけるＣｏとＴａとの比率は１：１から４：１であり、特に２：１であることが望ましい。適宜、Ｃｏの含有量を５０〜８０原子％の間で変化させることにより、全体的な非磁性特性を得るようにしてもよい。上述したように、磁性元素（ここでは、Ｃｏ）の含有量を増加させた場合、第１の強磁性層１８ｍと第２の強磁性層１８ｃとの間の結合強度が増大する一方で、ＴＭＲ比が低下する。Ｃｏの含有量を５０原子％付近にまで減少させた場合、結合強度は低下するものの、ＴＭＲ比は増加する。
【００４７】
あるいは挿入層１８ｂは、ＣｏＦｅＢＴａにより表される組成を有するようにしてもよい。但し、この合金におけるＣｏＦｅＢとＴａとの比率は１：１から４：１であり、特に２：１であることが望ましい。ＣｏＦｅＢＴａ合金中のＣｏＦｅＢの組成は、Ｃｏが４０〜７０原子％、Ｆｅが２０〜４０原子％、Ｂが１０〜３０原子％であることが好ましい。
【００４８】
挿入層１８ｂを構成する磁性元素と非磁性元素との合金は、スパッタ成膜装置内で各元素のターゲットを同時スパッタすることにより形成され得る。ＣｏＦｅＢＴａ合金のように複数の元素を含む場合、例えば、ＣｏＦｅＢターゲットとＴａターゲットとを用いて同時スパッタすることにより、所望の組成の挿入層１８ｂが得られる。
【００４９】
第２の強磁性層層１８ｃは、第１の強磁性層１８ｍと同様に強磁性であり、単層または複数の層を有する複合体である。第２の強磁性層１８ｃは、例えばＣｏW Ｆｅ(100-W)（Ｗは０以上１００以下）およびＮｉZ Ｆｅ(100-Z)（Zは７０以上１００以下）のうちの少なくとも一方の合金によって構成される。あるいは、上記のＣｏW Ｆｅ(100-W)もしくはＮｉZ Ｆｅ(100-Z)とＮｉ，Ｔａ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｂ，ＮｂおよびＢから選択される少なくとも一種の元素とを組み合わせた合金によって構成されてもよい。また、第２の強磁性層１８ｃは、例えばＣｏＦｅもしくはＮｉＦｅからなる単層構造、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有し、全体として０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有するようにしてもよい。
【００５０】
第２の強磁性層１８ｃがＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅで表わされる３層構造を有する場合、ＮｉＦｅ層は、他の２つのＣｏＦｅ層よりも実質的に厚いことが好ましい。ＮｉＦｅの軟磁性特性を活用するとともに、ＮｉＦｅ材料より得られるマイナス（−）の磁歪定数の寄与を活用して第１の強磁性層１８ｍにおけるプラス（＋）の磁歪値を相殺するためである。また、ＦＬ２層１８ｃにおいて、ＮｉＦｅ層を、２つのＣｏＦｅ層間に挟むことにより、ＮｉＦｅ層とＴａを含む挿入層１８ｂとの接触を回避するようにしてもよい。Ｔａ層とＮｉＦｅ層とが隣接すると、ｄＲ／Ｒを悪化させるいわゆる「デッドゾーン」を形成することが知られているからである。
【００５１】
基本的に、第２の強磁性層１８ｃは、全体として負の磁歪定数を有するものであり、挿入層１８ｂを介した第１の強磁性層１８ｍとの強力な結合を促進するものであることが好ましい。ただし、第２の強磁性層１８ｃを、プラス（＋）の小さな磁歪定数を有する第１の強磁性層１８ｍと組み合わせて用いる場合、第２の強磁性層１８ｃが小さなプラス（＋）の磁歪定数を有するようにしてもよい。いずれにせよ、複合フリー層１８の磁歪定数λが５×１０-6 未満となることが望ましい。
【００５２】
キャップ層１９は、第２の強磁性層１８ｃの上に形成され、Ｒｕ，Ｔａ，またはＲｕとＴａとの組み合わせより構成される。なお、キャップ層１９は、当該技術分野において用いられる他の材料より構成してもよい。
【００５３】
このように、本実施の形態のＴＭＲセンサ１は、それぞれ所定の材料からなる第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層を有する複合フリー層を備えるようにしたので、低磁歪定数、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、例えば６０％を超える高い抵抗変化率（ＴＭＲ比）を実現することができる。
【００５４】
次に、図１および図２に加え、図３〜図５を参照して本実施の形態におけるＴＭＲセンサ１の形成方法について説明する。図３は、本実施の形態のフリー層１８を作製するためのプロセスフローを表すダイヤグラムである。図４および図５は、ＴＭＲセンサ１の形成方法における一工程を表す断面図である。
【００５５】
まず、図４に示したように、所定の基板上に下部シールド層１０を形成する。そののち、その下部シールド層１０の上にシード層１４、ＡＦＭ層１５、ピンド層１６、トンネルバリア層１７をそれぞれ上記の所定材料を用いて所定の構造となるように順次積層する。
【００５６】
トンネルバリア層１７を形成するにあたっては、例えば、ピンド層１６の上に第１のＭｇ層を成膜したのち、第１のＭｇ層に対して自然酸化処理を行うことによりＭｇＯ層を形成し、さらにそのＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層を成膜することにより形成する。第１のＭｇ層の酸化工程は、例えばスパッタ装置の酸素チャンバ内で行われる。
【００５７】
次に、トンネルバリア層１７の上に、図３に示した手順に従ってフリー層１８を形成する。具体的には、図４に示したように、まず、所定の材料を用いて強磁性材料層１８ａをトンネルバリア層１７の上にスパッタ蒸着などにより形成する（ステップＳ１００）。所定の材料とは、上記したコバルト鉄含有合金などの、第１の強磁性層１８ｍの構成材料である。
【００５８】
続いて、強磁性材料層１８ａの上面１８ｔに対し、反応性イオン（reactive ion）４０の照射（図４に矢印で示す）を行うなどの、微弱なプラズマエッチ処理（ＰＴ）を行う（ステップＳ１０１）。このプラズマエッチ処理は、毎秒０．００１ｎｍ未満のエッチングレートで約０．０２ｎｍ（０．２Å）の厚さ分だけ強磁性材料層１８ａの上層部分を除去するような、微弱なプラズマエッチングであるとよい。このプラズマエッチ処理の結果上面１８ｔが改質され、図２に示したように、強磁性材料層１８ａは第１の強磁性層１８ｍとなる。プラズマエッチ処理は、プラズマが強磁性材料層１８ａを突き抜けてトンネルバリア層１７へダメージを与えることのないように行われる。例えば０．０１Ｔｏｒｒを超える高圧のＡｒガスを用い、２０Ｗ未満の低い電力で１０〜２５０秒間行うとよい。また、例えばＮｅ（ネオン），Ｋｒ（クリプトン）もしくはＸｅ（キセノン）などの他の不活性ガスを用いてプラズマエッチ処理を行うようにしてもよい。そのような条件であれば、０．０２ｎｍ程度の厚さの減少が生じると推定される。なお、この厚さの減少分に関する推定は、０．１ｎｍ（１Å）を上回る比較的容易に測定される厚さの減少が生じるような、長時間に亘るプラズマエッチ処理を行うことで可能となる。例えば、１時間に亘るプラズマエッチ処理によるＣｏＦｅＢ層の厚さの減少分を６０で割ることにより、同条件で１分間のプラズマエッチ処理を行った後のＣｏＦｅＢ層の厚さの減少分が求められる。
【００５９】
さらに、図２に示したように、第１の強磁性層１８ｍの上に所定の材料を用いて挿入層１８ｂを形成（ステップＳ１０２）したのち、その挿入層１８ｂの上に、所定の材料を用いて第２の強磁性層１８ｃを形成する（ステップ１０３）。これにより、フリー層１８が完成する。
【００６０】
そののち、フリー層１８の上にキャップ層１９を上記の所定材料を用いて形成することにより積層膜を形成する。なお、この積層膜は、同一のスパッタ蒸着装置において形成されることが望ましい。しかしながら、トンネルバリア層１７については、スパッタ蒸着を行うスパッタ蒸着用チャンバとは異なる酸化チャンバにおいて酸化されることが望ましい。スパッタ蒸着処理を行う際に酸素が混入するのを避けるためである。フリー層１８から酸素が混入しないように維持することは重要である。ＭＲ比をはじめとする磁気特性の低下を回避するためである。
【００６１】
また、ステップＳ１０１のプラズマエッチ処理は酸化チャンバ内で実施されるとよい。あるいは、スパッタ蒸着処理のメインフレームにおいて、同じスパッタチャンバ内で実施されてもよい。したがって、本実施の形態のＴＭＲセンサ１の製造過程におけるフリー層１８を形成するための工程は、スパッタデポジションチャンバ内での強磁性材料層１８ａの形成と、エッチング処理が可能な別のチャンバ内における強磁性材料層１８ａに対するプラズマエッチ処理と、スパッタ蒸着チャンバ内での挿入層１８ｂおよび第２の強磁性層１８ｂの形成とを行う同一のメインフレームにおいて実施される。
【００６２】
次いで、この積層膜を真空オーブン内に入れ、その積層膜に対するアニール処理を行う。アニール処理は、２４０℃以上３４０℃以下の温度範囲、好ましくは２５０℃以上２７０℃以下の温度範囲において、少なくとも２０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］、好ましくは８０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］の強度の磁界を印加しつつ、２〜１０時間に亘って行う。アニール処理における時間や温度等の条件を適切に設定することにより、未反応の酸素が、隣接する第１および第２のＭｇ層中に拡散し、その結果、トンネルバリア層１７は均質なＭｇＯｘ層になる。また、ピンド層１６およびフリー層１８の磁化方向が設定される。
【００６３】
次に、図５に示したように、従来のシーケンスにより、アニール処理がなされた積層膜をパターニングすることにより積層体Ｓ１を得る。具体的には、例えばキャップ層１９の上面１９ａを覆うように所定の幅Ｗを有するフォトレジスト層２０を形成し、これを所定形状にパターニングしたのち、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンビームエッチング（ＩＢＥ）等を用いて、積層膜のうち、フォトレジスト層２０によって覆われていない露出部分を除去する。エッチングプロセスは、下部シールド層１０に達したところで、または、下部シールド層１０とバリア層（図示せず）との間で停止する。これにより、上面１９ａおよび側壁２１を有する積層体Ｓ１が得られる。
【００６４】
次に、図１に示したように、下部シールド層１０の露出した上面から積層体Ｓ１の側壁２１まで連続して覆うように絶縁層２２を形成したのち、その上にバイアス層２３およびキャップ層２４を形成し、その後、フォトレジスト層２０をリフトオフプロセスにより除去する。続いて、キャップ層２４および積層体Ｓ１の上面１９ａの上に上部リードとしての上部シールド層２５を形成する。下部シールド層１０と同様に、上部シールド層２５もまた、膜厚が約２μｍのＮｉＦｅ層として形成する。これによりＴＭＲセンサ１が完成する。なお、上部シールド層２５の上にさらに第２のギャップ層（図示せず）を備えるようにしてもよい。
【００６５】
本実施の形態のＴＭＲセンサ１におけるフリー層１８を形成するにあたっては、取り立てて新規なスパッタリングターゲットや新規なスパッタチャンバ等を必要としないので、従来に比べてコストアップを伴うことなく形成することが可能である。さらに、通常のＧＭＲセンサの製造工程において採用されているプロセスと互換性のある低温アニールプロセスを適用することができる。したがって、現行のプロセスフローや、これに関連するプロセスを何ら改変する必要がなく、製造が容易である。
【００６６】
[第２の実施の形態]
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る複合フリー層を有するＧＭＲセンサ１Ａを表わす断面図である。このＧＭＲセンサ１ＡはＣＩＰ構造またはＣＰＰ構造を有し、ＧＭＲ−ＣＰＰヘッドまたはＧＭＲ−ＣＩＰヘッドに適用可能なものである。ＧＭＲセンサ１Ａは、上記第１の実施の形態のＴＭＲセンサ１におけるトンネルバリア層１７を、例えばＣｕなどからなる非磁性スペーサ層２７に置き換えたものである。それ以外の構成要素は、上述したＴＭＲセンサ１と同様である。また、このＧＭＲセンサ１Ａにおける非磁性スペーサ層２７は、電流狭窄（ＣＣＰ；confining current path）構造であってもよい。その場合、非磁性スペーサ層２７は、例えば第１および第２の金属層の間に、金属酸化物にメタルパスが形成された中間絶縁層を挿入した構造となる。例えば、第１および第２の金属層はＣｕからなり、中間絶縁層はＡｌＯx層の内部にＣｕからなるメタルパスが形成されたものとすることができる。第１の強磁性層１８ｍは、非磁性スペーサ層２７の上面に接している。ＧＭＲセンサ１は、上述したＴＭＲセンサ１と同様にして作製される。
【００６７】
このようなＧＭＲセンサ１Ａにおいても、ＴＭＲセンサ１と同様に、低磁歪定数、低ＲＡ値および低保磁力を達成しつつ、例えば６０％を超える高い抵抗変化率（ＧＭＲ比）を実現することができる。
【００６８】
[第３の実施の形態]
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る複合フリー層を有するＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｂを表わす断面図である。このＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｂはトップスピンバルブ構造を有しており、基本的にはボトムスピンバルブ構造を有するＴＭＲセンサ１などと同様の材料を用い、同様の手順で作製される。具体的には、このトップスピンバルブ構造は、「シード層１４／第２の強磁性層１８ｃ／挿入層１８ｂ／第１の強磁性層１８ｍ／トンネルバリア層１７（非磁性スペーサ層２７）／ピンド層１６／ＡＦＭ層１５／キャップ層１９」という積層構造を有している。第１の強磁性層１８ｍの上面（インナー面）は、その上にトンネルバリア層１７（非磁性スペーサ層２７）などを形成する前に、上記した適度なプラズマエッチ処理が施されたものである。第１の強磁性層１８ｍの下面（アウター面）は挿入層１８ｂと接し、第１の強磁性層１８ｍの上面（インナー面）はトンネルバリア層１７（非磁性スペーサ層２７）と接している。なお、本実施の形態においても、第１の強磁性層１８ｍは特にＣｏＦｅＢ層からなるとよい。第１の強磁性層１８ｍが多層構造である場合には、その最上層がＣｏＦｅＢ層からなるとよい。そうすることによって、プラズマエッチ処理が表面構造の改質にあたって大きく寄与することとなり、その上に形成される各層が好ましい結晶方位となるように促進することができるからである。また、第１の強磁性層１８ｍの最上層としてＮｉＦｅ，ＣｏＦｅもしくはそれらの合金からなる層を形成した場合には、プラズマエッチ処理により、ＭＲ比などの磁気特性の改善という利益をもたらすことができる。
【００６９】
[第４の実施の形態]
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る複合フリー層を有するＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｃを表わす断面図である。このＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｃは、図７のＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｂの構成において、第２の強磁性層１８ｃの上面に対しても、挿入層１８ｂを形成する前に、同様のプラズマエッチ処理を施すことで第２の強磁性層１８ｄとしたものである。それ以外の点については図７のＴＭＲセンサ（ＧＭＲセンサ）１Ｂと同様の構成である。  第２の強磁性層１８ｄのインナー面（上面）は、それ以外の部分と比較して、改質された構造を有し、もしくはより大きな表面エネルギーを有し、またはそれらの両方を有している。このような構成により、さらなる磁気特性の改善が見込まれる。
【実施例】
【００７０】
次に、本発明に関する実施例（実験例）について説明する。
【００７１】
本発明のＴＭＲセンサにより、その性能改善が実現されることを確認するために、以下のような比較実験を行った。
【００７２】
表１は、図１に示したＴＭＲセンサ１において、フリー層１８の構成を種々に変えたときに得られる磁気特性（抵抗変化率ｄＲ／Ｒ）を表すものである（サンプルＡ〜Ｃ）。
【００７３】
【表１】
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【００７４】
サンプルＡ〜ＣにおけるＴＭＲセンサは、いずれも「シード層／反強磁性（ＡＦＭ）層／ピンド層／トンネルバリア層／フリー層／キャップ層」という共通の積層構造を有している。ここで、シード層はＴａ（２）／Ｒｕ（２）の２層構造であり、反強磁性（ＡＦＭ）層はＩｒＭｎ（７）である。ピンド層はＡＰ２層／結合層／ＡＰ１層の３層構造であり、詳細にはＣｏ75Ｆｅ35層（２．５）／Ｒｕ（０．７５）／Ｃｏ75Ｆｅ35層（２．５）である。トンネルバリア層はＭｇＯｘで表わされ、より詳細にはＭｇ（０．７）／ＮＯＸ／Ｍｇ（０．３）である。すなわち、トンネルバリア層については、０．７ｎｍ厚の下部Ｍｇ層を成膜してそれに対しＮＯＸ処理を施したのち、０．３ｎｍ厚の上部Ｍｇ層を成膜することにより形成した。フリー層は第１の強磁性層／挿入層／第２の強磁性層の３層構造である。そのうち第１の強磁性層はＣｏ90Ｆｅ10（０．３ｎｍ厚）／Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（１）の２層構造であり、第２の強磁性層は、Ｎｉ90Ｆｅ10（０．３）の単層構造である。また、挿入層は、単層構造のＣｏＦｅＢＴａ層（０．６）である。キャップ層はＲｕ（１）／Ｔａ（６）の２層構造である。なお、括弧内の数値は膜厚（ｎｍ）を表す。本実験では、上記のサンプルＡ〜Ｃの積層構造をＮｉＦｅからなる下部シールド層の上に形成し、８０００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］の磁界を印加しながら真空中で２８０℃の温度下において５時間に亘ってアニール処理を行った。なお、いずれもサンプルにおいても、ＲＡ値は１．０となるように作製した。そののち、各積層構造を、直径０．８μｍの円柱をなすようにパターニングした。
【００７５】
サンプルＡは、従来構造のＴＭＲセンサであり、第１および第２の強磁性層に対し、何らのプラズマエッチ処理を行っていないものである。サンプルＢは、本発明のＴＭＲセンサに対応するものであり、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢからなる第１の強磁性層の表面に対し所定のプラズマエッチ処理を施したのち、ＣｏＦｅＢＴａ層からなる挿入層およびＮｉＦｅからなる第２の強磁性層を順に形成するようにしたものである。サンプルＣは、第１の強磁性層と挿入層との間に薄いＣｏＦｅ層を設けるようにした点を除き、他はサンプルＡと同様の構成を有するものである。
【００７６】
表１からわかるように、プラズマエッチ処理を行ったサンプルＢでは、サンプルＡと比較して９％程度のＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）の向上が確認された。ＭＲ比の改善は、微弱なプラズマエッチ処理により第１の強磁性層の最上層であるＣｏＦｅＢ層の表面が改質されてＣｏＦｅＢ層の好ましい方位での結晶化を促進したこと、および表面エネルギーの増加による核形成部位の形成がなされたこと、の結果と考えられる。また、サンプルＣでは、ＣｏＦｅ層の追加によりＭＲ比の改善はみられたもののサンプルＢには及ばなかった。なお、サンプルＣの構成はＴＭＲスタックの厚さの増大を招くこと、第１および第２の強磁性層の間の実効結合磁界（Ｈｃｐ）の低下を意味するＢｓの上昇を招くことの観点から望ましくない。
【００７７】
このように、表１に示した全てのサンプルは挿入層としてＣｏＦｅＢＴａ層を用いることにより高いｄＲ／Ｒと、低いＲＡ値との両立がなし得ることを証明した。しかしながら、サンプルＢが最も高い性能を発揮し、ＴＭＲセンサとして望ましいものであることを示した。さらに、０．６ｎｍ厚のＣｏＦｅＢＴａ層を挿入層として用いることで、高いＨｃｐが達成されることがわかった。ここで、ＣｏＦｅＢとＴａとの組成比は２：１であり、その場合、単層のＣｏＦｅＢＴａ層は非磁性である。先に述べたように、挿入層の厚さを減少させることで、ｄＲ／Ｒは減少するものの、Ｈｃｐは増大する。一方、挿入層の厚さを増加させるとｄＲ／Ｒも向上するものの、Ｈｃｐは低下する。さらに、ｄＲ／ＲおよびＨｃｐの最適化は、磁性元素と非磁性元素との存在割合を調整することにより可能である。さらに、複合フリー層の磁歪定数λは、ＮｉＦｅ層の組成比や厚さを変化させることで調整される。表１に示したサンプルＡ〜Ｃは、いずれも適度に良好な磁気的柔軟性を有しており、保磁力（Ｈｃ）は４から５Ｏｅ前後、磁歪は約１×１０-6となっている。磁気特性は、０．８μｍの円形素子から得た。
【００７８】
本発明のＴＭＲ素子の利点は、６０％を超える高いＴＭＲ比を、低ＲＡ値（１Ω・μｍ2未満）および低磁歪（約１×１０-6）とともに得ることができることにある。さらに、プラズマエッチ処理プロセスは、装置コストまたは製造過程でのスループットに対して最小限度の影響に抑えつつ、実行され得るものである。なぜなら、ＴＭＲセンサの積層に用いられるものと同じスパッタ蒸着装置において、微弱なプラズマエッチ処理がなされるからである。
【００７９】
以上、特定の実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００８０】
Ｓ１…積層体、１…ＴＭＲセンサ、１Ａ…ＧＭＲセンサ、１０…下部シールド層、１４…シード層、１５…ＡＦＭ層、１６…ピンド層、１７…トンネルバリア層、１８…フリー層、１８ａ…強磁性材料層、１８ｍ…第１の強磁性層、１８ｂ…挿入層、１８ｃ…第２の強磁性層、１９，２４…キャップ層、２２…絶縁層、２３…バイアス層、２５…上部シールド層、２０…フォトレジスト層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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